微波處理對大米儲藏過程中脂質(zhì)變化的影響

曹汝鴿，武小暉，黃文達

（1.天津科技大學食品科學與工程學院，食品營養(yǎng)與安全國家重點實驗室，天津 300457；2.天津凱濤奇食品有限公司，天津 301799）

通常情況下，大米正常儲藏時的安全水分含量為14%左右，但由于脂肪酶類等的作用，大米自然晾干后其脂質(zhì)在儲藏過程中仍會緩慢發(fā)生水解和氧化酸敗等一系列品質(zhì)劣變，導致最終無法食用，從而嚴重影響大米的儲藏品質(zhì)和食用價值[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，在25 ℃條件下，含水量13%～14%的粳米儲藏1 a后，脂肪酶活性下降30%，但脂肪酸值和丙二醛含量卻增加70%和27%，嚴重超標[3]。也有研究表明，含水量13%的粳米分別在15、25 ℃和37 ℃條件下儲藏180 d，脂肪酸值均達到不可接受水平[4]。因此，采取更有效的方式鈍化籽粒內(nèi)部各脂肪酶活性是解決大米品質(zhì)劣變問題的關(guān)鍵[5]。

研究表明鈍化酶活性最有效的方法就是加熱處理，但傳統(tǒng)加熱處理時間長，往往伴隨營養(yǎng)損失和色澤等品質(zhì)變化，因此應用范圍有限。微波處理因加工時間短、穿透深、效率高且副作用低而被廣泛應有于干燥、加熱及消毒殺菌等領(lǐng)域。當酶受到微波輻射時，水分子會被激發(fā)振動和摩擦從而產(chǎn)生熱能，導致酶分子結(jié)構(gòu)變化并失去其活性。同時，微波也可使酶中的水分子被加熱蒸發(fā)，進一步破壞酶的結(jié)構(gòu)[6]。如用700 W微波短時間處理（100 s）糙米和精米后，其水分、總脂質(zhì)含量、游離態(tài)和結(jié)合態(tài)脂質(zhì)的脂肪酸組成變化不顯著，但其脂氧合酶活性明顯降低，有效抑制了游離脂肪酸含量的增加[7]。而含水量21%的大米樣品在700 W功率下微波處理3 min后水分含量下降至4.07%，脂肪酶活性顯著降低，微波處理5 min后大米可實現(xiàn)90 d的安全儲存[8]。利用不同功率微波對米糠進行處理，當處理條件為8 kW和60 s時，米糠水分含量下降8%左右，脂肪酶活性和脂肪酸值顯著降低，有效延緩了米糠的氧化酸敗[9]。

目前微波處理應用于大米滅酶的研究多集中在評價酶活性和脂肪酸值方面，而大米儲藏過程中，微波處理對水分遷移及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，以及各脂肪酶類、脂質(zhì)氧化產(chǎn)物、揮發(fā)性成分和氧化中間產(chǎn)物之間的關(guān)系仍不明晰。因此，本研究旨在全面評價微波滅酶效果，通過測定儲藏期間大米脂肪酸值、過氧化值、羰基值、大米的水分遷移、籽粒形態(tài)結(jié)構(gòu)變化、揮發(fā)性成分變化及其相關(guān)性分析，探究微波處理前后大米在不同儲藏條件下水解酸敗程度的差異及其影響機理，為大米的安全儲藏提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗原料均為2021年秋季收獲的新鮮粳稻，津稻919、超北2號和稻花香2號，分別購自天津津?qū)毜厮a(chǎn)科技有限公司、中農(nóng)裕邦（北京）生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司和北京七河源食品科技有限公司。3 種大米的基本營養(yǎng)成分如表1所示。

表1 3 種大米的基本營養(yǎng)成分Table 1 Basic nutrients of three varieties of rice

正烷烴標準品（C7～C30）（色譜純）美國Sigma-Aldrich公司；2,4,6-三甲基吡啶（CAS：108-75-8099%）（色譜純）上海阿拉丁生化科技股份有限公司；吐溫-20、硼砂、磷酸二氫鈉、亞油酸、甲苯等（均為分析純）天津市江天化工股份有限公司；BC2345脂肪酶活性試劑盒 北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設備

G80F20CN1L-DGW0微波爐 佛山格蘭仕微波電器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；ATX224分析天平 浙江賽德儀器設備公司；Epoch2酶標儀 美國佰騰儀器有限責任公司；GZX-9146MBE電熱鼓風干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限公司；FE28 pH計 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；Neofuge 13R臺式高速冷凍離心機、ISQ 7000氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography mass spectrometry，GC-MS）儀 美國賽默飛世爾科技有限公司；MicroMR-25低場核磁共振儀 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；SU-1510掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 大米微波處理及儲藏

將新鮮大米樣品分別裝入食品級專用耐高溫透明袋中，樣品含水量調(diào)整為20%，充分搖動，使水分均勻分布在大米籽粒表面，排氣封口，潤浸2 h以平衡大米籽粒中水分含量，以微波功率850 W處理50 s，冷卻后于40 ℃下烘干表面水分。將處理前后的不同品種大米分別置于4 ℃、60%相對濕度（relative humidity，RH），25 ℃、70% RH，37 ℃、40% RH培養(yǎng)箱中儲藏90 d，每15 d取樣測定[10]。

1.3.2 大米脂質(zhì)相關(guān)指標測定

脂肪酸值測定參照GB/T 15684—2015《谷物研磨制品脂肪酸值的測定》進行；過氧化值測定參照GB 5009.227—2016《食品中過氧化值的測定》進行；過氧化氫酶活力測定參照GB/T 5522—2008《糧油檢驗 糧食、油料的過氧化氫酶活動度的測定》進行；脂肪酶活力用脂肪酶活性試劑盒進行測定。

脂肪氧化酶活性測定參照Qu Chenling等[11]方法并適當修改。大米磨粉稱取1.5 g，加入0.1 mol/L、pH 7.5的磷酸緩沖溶液10 mL，置于冰水浴中攪拌30 min后，8000 r/min、4 ℃離心10 min，所得上清液即為酶提取液。取2.89 mL濃度為0.05 mol/L、pH 5.5的醋酸鈉緩沖溶液，90 μL亞油酸底物和20 μL的酶提取液混合，在234 nm波長處測定其吸光度，以每克樣品每分鐘吸光度增加0.01為一個脂肪氧化酶活性單位（U）。

過氧化物酶活性測定參照Fang Liang等[12]方法并適當修改。大米磨粉，取1 g于50 mL的離心管中，加入20 mL的磷酸鹽緩沖液（0.05 mol/L、pH 5.5），30 min后以4000 r/min離心10 min，并收集上清液。將1 mL體積分數(shù)2%的H2O2溶液、2 mL磷酸鹽緩沖液、1 mL過氧化物酶提取液和1 mL濃度0.05 mol/L的愈創(chuàng)木酚溶液混合均勻，迅速測定其在0～4 min內(nèi)470 nm波長處的吸光度變化，以磷酸鹽緩沖液作為空白對照，以每克樣品每分鐘反應吸光度變化0.01為一個過氧化物酶活性單位（U）。

羰基值測定參照文獻[13-14]。以石油醚為提取劑，大米和石油醚料液比1∶16，常溫提取大米油脂6 h。精密稱取油脂0.025～0.500 g，置于25 mL容量瓶中，加甲苯溶解并稀釋至刻度，搖勻后量取5 mL置于25 mL具塞刻度試管中，加4.3%三氯醋酸-甲苯溶液3 mL及0.05%2,4-二硝基苯肼-甲苯溶液5 mL，混勻，置于60 ℃水浴加熱30 min，取出冷卻，沿管壁緩緩加入4%氫氧化鉀-乙醇溶液10 mL，用乙醇定容至25 mL，搖勻，室溫放置10 min，以甲苯溶液作空白，在453 nm波長處測定吸光度。羰基值以每千克油脂中羰基化合物的物質(zhì)的量表示，單位為mmol/kg。

1.3.3 揮發(fā)性成分測定

大米籽粒用小型粉碎機磨粉后過60 目篩，準確稱量5 g大米粉于30 mL頂空萃取瓶中，快速加入20 μL 10 mg/L的2,4,6-三甲基吡啶內(nèi)標物，在80 ℃水浴中平衡15 min，插入萃取頭頂空萃取30 min，GC-MS進樣口中解吸5 min[15]。

色譜條件：采用HP-5 MS毛細管色譜柱（30 m×0.25 μm，0.25 μm），進樣口溫度250 ℃，載氣為高純氦氣，流速為1.0 mL/min，分流比10∶1，升溫程序為初始溫度40 ℃保持3 min，以4 ℃/min的速率升溫至150 ℃，保持1 min，再以8 ℃/min速率升溫至250 ℃，保持6 min，檢測時間50 min。

質(zhì)譜條件：電子電離源，電子能量70 eV，離子源溫度250 ℃，接口溫度220 ℃，采集方式為全掃描，采集質(zhì)量范圍m/z35～500。

1.3.4 低場核磁共振測定

取2 g大米樣品，用保鮮膜將其包裹并放入透明核磁管內(nèi)，置于MicroMR-25低場核磁共振儀中，采用CPMG序列測定橫向弛豫時間[16]。設置參數(shù)如下：回波時間TE＝0.11 ms，90°硬脈沖射頻脈寬P1＝6 μs，180°硬脈沖射頻脈寬P2＝11 μs，采樣點數(shù)TD＝123348 ms，掃描次數(shù)NS＝4。

1.3.5 大米微觀結(jié)構(gòu)測定

將大米斷裂表面向上固定在載物臺上，噴金，用SU-1510場發(fā)射掃描電鏡放大75 倍掃描，電壓為15 kV，觀察樣品形態(tài)[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

2 結(jié)果與分析

2.1 微波處理對大米脂肪酶類的影響

如圖1、2所示，在不同儲藏溫度下，各品種未處理大米脂肪酶類活性均處于較高水平。經(jīng)過微波處理后的津稻919、超北2號、稻花香2號大米在37 ℃儲藏0 d時，其脂肪酶、脂肪氧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性分別平均下降了54.03%、71.11%、95.94%和46.04%，且在37 ℃ 90 d儲藏結(jié)束時，仍穩(wěn)定在低活性水平，津稻919、超北2號、稻花香2號大米的脂肪酶、脂肪氧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活力最終分別保持在3.829、3.597、3.729 U/g，62.776、55.556、60.103 U/g，67.762、84.338、55.504 U/g，2.922、3.233、2.560 mg H2O2/g。其中，微波處理對稻花香2號大米的滅酶效果最好。在90 d儲藏期間，未處理大米的脂肪酶、脂肪氧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶的活性不穩(wěn)定，呈現(xiàn)先下降后上升或者波動變化趨勢，而微波處理大米的各酶活性較為穩(wěn)定，均呈緩慢下降趨勢。結(jié)果表明，微波處理可以使大米中水分及蛋白質(zhì)的極性基團發(fā)生高速的取向運動，引起分子間劇烈的摩擦導致酶蛋白變性失活[18]，進而破壞了各脂肪酶的功能結(jié)構(gòu)，同時在封閉環(huán)境中，空氣壓力越大，水的沸點越高，蒸汽溫度越高，因此穿透能力更強[19]，進而使酶活性得到很好的抑制。

圖1 儲藏期間大米脂肪酶和脂肪氧化酶的變化Fig.1 Changes in lipase and lipid oxidase activity of rice during storage

2.2 微波處理對大米脂肪酸值、過氧化值、羰基值的影響

如圖3所示，微波處理可以有效延緩大米儲藏過程中脂肪酸的積累，使不同品種大米在不同溫度下儲藏期間的脂肪酸值均明顯下降。即使在37 ℃下儲藏90 d，微波處理后津稻919脂肪酸值仍可保持在15.846 mg/100 g，超北2號為15.926 mg/100 g，稻花香2號為14.643 mg/100 g，僅比0 d增加了0.716～1.436 mg/100 g，差異不大，均遠低于國家限量標準25 mg/100 g。這可能是微波處理有效抑制了大米儲藏過程中脂肪酶活性（圖1），進而抑制了大米脂肪水解后游離脂肪酸的生成[20]。

過氧化值代表脂質(zhì)氧化酸敗過程中生成中間產(chǎn)物的數(shù)量，可反映早期階段脂質(zhì)酸敗的程度[21]。如圖3所示，3 種未處理大米的過氧化值在不同儲藏溫度下整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且在37 ℃下儲藏30 d時最先達到不可接受水平。微波處理大米的過氧化值在儲藏開始時明顯低于未處理大米，儲藏期間溫度越高，過氧化值增加越快，津稻919、超北2號、稻花香2號均在37 ℃儲藏30 d時達到最大值，分別為14.78、18.27、14.56 mmol/kg。超北2號大米因為脂肪含量最高，生成的游離脂肪酸含量最多，進而過氧化值也較高。處理后3 種大米在37 ℃儲藏90 d時過氧化值增加了2.859～6.734 mmol/kg，均維持在可接受水平，這與微波處理組大米脂肪氧化酶（圖1）及過氧化物酶（圖2）活性的降低密切相關(guān)，表明微波處理通過抑制酶促反應，減少大米游離脂肪酸的產(chǎn)生，進一步削弱了氫過氧化物的生成[22]，使其過氧化值降低。

圖2 儲藏期間大米過氧化物酶及過氧化氫酶的變化Fig.2 Changes in peroxidase and catalase activity of rice during storage

圖3 儲藏期間大米脂肪酸值、過氧化值及羰基值的變化Fig.3 Changes in fatty acid value,peroxide value and carbonyl value of rice during storage

羰基值能夠反映脂質(zhì)中羰基化合物的數(shù)量，可用作表征大米后期氧化酸敗的指標，如圖3所示，在不同儲藏條件下，未處理大米羰基值均出現(xiàn)不同程度的升高，且在37 ℃儲藏75 d后，津稻919、超北2號、稻花香2號的羰基值分別為27.621、25.701、23.229 mmol/kg，達到不可接受水平[14]。微波處理大米在儲藏期間羰基值遠低于未處理大米，在4、25、37 ℃條件下儲藏90 d時，津稻919的羰基值分別為7.29、9.18、10.05 mmol/kg，超北2號的羰基值分別為7.36、9.22、11.52 mmol/kg，稻花香2號的羰基值分別為7.09、8.60、7.93 mmol/kg，在37 ℃儲藏90 d時，羰基值增加了3.697～5.308 mmol/kg，其中，超北2號的羰基值最高，氧化酸敗程度更高。3 種大米微波處理后在不同溫度條件下儲藏結(jié)束時仍在可接受水平，說明微波處理能夠有效減少大米多不飽和脂肪酸及其有害物質(zhì)和不良風味的產(chǎn)生，抑制氫過氧化物的生成，有效阻止大米脂質(zhì)進一步的氧化酸敗[23]。

2.3 微波處理對大米儲藏期間水分分布的影響

低場核磁共振測定中的弛豫時間T21和T22分別代表大米中的結(jié)合水和自由水[24]。如圖4所示，在不同儲藏溫度條件下，隨著儲藏時間的延長，水分遷移變化趨勢一致，儲藏溫度越高、時間越長，T21和T22向右遷移越明顯，結(jié)合水和自由水受到的束縛力越小。與未處理大米相比，微波處理大米的T21起峰時間從0.338667 ms提前至0.081537 ms，T22起峰時間從59.64972 ms提前至14.36117 ms，結(jié)合水的峰面積有所下降，結(jié)合水和自由水的占比基本穩(wěn)定，說明微波處理增加了大米中親水基團與水分子之間的氫鍵作用，使結(jié)合水所受束縛力不斷增強，水分活躍度逐漸降低[25]。由此表明，微波處理能夠有效降低大米水分活度，從而抑制酶的活性。

圖4 儲藏期間大米橫向弛豫時間反演圖Fig.4 Inversion spectra of transverse relaxation time of rice during storage

2.4 微波處理對大米籽粒微觀結(jié)構(gòu)的影響

如圖5所示，微波處理后，大米籽粒出現(xiàn)明顯的裂痕，斷面變粗糙，截面上暴露的小淀粉顆粒顯著增多（圖中白色實線圓圈），可能是由于高頻電磁波化的熱能迅速提高大米籽粒溫度，使大分子物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改變了脂肪酶類的作用位點[26]。同時，微波處理大米籽粒內(nèi)部瞬間失水導致胚乳細胞壁的機械強度降低，從而弱化了細胞壁上的酶促反應，改善了大米的儲藏穩(wěn)定性[27]。

圖5 微波處理前后不同品種大米的掃描電鏡圖（×75）Fig.5 SEM images of different varieties of rice before and after microwave treatment (× 75)

2.5 微波處理對大米揮發(fā)性成分的影響及其相關(guān)性分析

如圖6所示，大米儲藏過程中的揮發(fā)性化合物主要包括烷烴類、醛類、酮類、醇類和呋喃。3 種樣品中共鑒定出34 種揮發(fā)性物質(zhì)，分別為烷烴類12 種、醛類8 種、酮類5 種、醇類8 種及雜環(huán)類1 種。其中，烷烴類和醇類物質(zhì)來源于脂肪的氧化降解，但由于閾值較高，對大米的風味影響較小，微波處理后醇類物質(zhì)相對含量均明顯下降，大部分烷烴類物質(zhì)相對含量下降，可能與不飽和脂肪酸的氧化水解有關(guān)[28]，而微波處理能夠降低各酶活性，導致不飽和脂肪酸含量下降，進而使醇類物質(zhì)相對含量降低；同時，微波處理引起的瞬時高溫會導致大分子質(zhì)量烷烴裂解，使大部分烷烴類相對含量下降，其中僅十一烷、十二烷、十四烷相對含量略有增加。醛酮類化合物以及2-戊基呋喃是大米儲藏過程中哈敗味的主要組成成分，主要來源于大米中的不飽和脂肪酸的氧化，如油酸、亞油酸和α-亞麻酸[29]，以及醇的氧化或酯類的分解[30]。大米的主要揮發(fā)性物質(zhì)為醛類物質(zhì)，會產(chǎn)生令人不期望的刺激性氣味，且閾值較低，對大米的風味影響較大。在37 ℃儲藏90 d時，未處理津稻919、超北2號和稻花香2號醛類物質(zhì)的相對百分含量分別為30.47%、31.81%和29.58%，微波處理后3 種大米醛類物質(zhì)相對含量分別為10.24%、10.82%和9.89%，超北2號醛類物質(zhì)相對含量略高于其他兩種大米，微波處理后3 種大米醛類物質(zhì)含量大大降低，同時酮類物質(zhì)和2-戊基呋喃含量也明顯下降，說明微波處理能抑制不飽和脂肪酸的氧化，進而有效降低大米的不良風味。

圖6 儲藏期間大米揮發(fā)性成分層次聚類熱圖Fig.6 Hierarchical clustering heatmap of volatile components in rice during storage

如圖7所示，辛醇、癸醇、庚醇、壬醇、十三烷含量及二十一烷與脂肪酶及過氧化氫酶活性呈正相關(guān)，說明這些化合物在脂肪氧化水解的過程中會因酶催化反應加速生成；醇類、大部分烷烴類物質(zhì)含量與脂肪酸值、過氧化值及羰基值呈顯著負相關(guān)，其中，醇類可能通過競爭性抑制酶的催化活性，而烷烴類可能抑制反應中的氧化反應；乙醛含量與脂肪酶類活性呈顯著負相關(guān)，與羰基值呈正相關(guān)，說明乙醛的積累可能會反向抑制脂肪酶的作用，乙醛還可能被氧化成羰基物質(zhì)，從而增加羰基值；己醛、壬醛、庚醛含量以及十二醛與脂肪酸值、過氧化值、羰基值呈顯著正相關(guān)，也可作為脂肪氧化水解反應的評價指標[31]。

圖7 大米脂肪酶、脂肪氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、脂肪酸值、過氧化值和羰基值與揮發(fā)性成分相關(guān)性分析Fig.7 Correlation analysis between lipase,fat oxidase,peroxidase,catalase,fatty acid value,peroxide value,carbonyl value and volatile components in rice

3 結(jié)論

本研究對3 種不同品種大米進行了微波處理，評價了微波處理對大米儲藏性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：1）微波處理能夠有效鈍化大米的各脂肪酶活性，并且隨著儲藏時間的延長，微波處理后的大米脂肪酶、脂肪氧化酶、過氧化物酶和過氧化氫活性不斷下降；2）未處理大米儲藏期間脂肪氧化產(chǎn)物逐漸增加，最快在37 ℃儲藏30 d時即達到不可接受水平，而微波處理后的大米在37 ℃、40% RH條件下仍可安全儲藏90 d；3）微波處理后降低了大米水分活度，抑制了酶促反應的進行；4）大米脂肪酶類是導致大米醛酮類物質(zhì)積累和哈敗氣味的主要原因，而微波滅酶有效抑制了這一過程，大大延緩了大米脂質(zhì)的氧化酸敗。